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基于 DSP的智能電子送經(jīng)控制系統(tǒng)

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基于 DSP的智能電子送經(jīng)控制系統(tǒng)

發(fā)布時(shí)間: 2007/12/1 文章出處: 　

引言
   目前，國(guó)內(nèi)織機(jī)的送經(jīng)控制系統(tǒng)大部分為機(jī)械送經(jīng)控制系統(tǒng)，即通過(guò)一系列的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)(杠桿、齒輪、彈簧、皮帶等)來(lái)控制送經(jīng)量。實(shí)踐表明，機(jī)械送經(jīng)控制系統(tǒng)使得織機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滯后嚴(yán)重，柔性差。織機(jī)高強(qiáng)度的工作易造成一些機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，使控制精度降低。而且，機(jī)械送經(jīng)控
制系統(tǒng)不能滿足中高檔織機(jī)的速度要求。電子送經(jīng)控制系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能正逐步代替機(jī)械送經(jīng)
控制系統(tǒng)。
    國(guó)內(nèi)電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般都是采用PLC或單片機(jī)作為主控制器，電機(jī)采用力矩電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，采用速度控制和開(kāi)環(huán)控制方式，只能適應(yīng)低速織機(jī)。也有采用高檔 PLC或工業(yè)計(jì)算機(jī)作為主控制器來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)，但成本較高。國(guó)外的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)一般集成在整個(gè)織機(jī)控制器中，電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)，一般專用于織特定布的織機(jī)，柔性差，對(duì)用戶來(lái)講成本高。現(xiàn)著名的德國(guó)百格拉公司有單獨(dú)的電子送經(jīng)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，采用的是步進(jìn)電機(jī)控制，很難適應(yīng)高速、高精度的要求。

1 送經(jīng)控制系統(tǒng)原理分析
    織機(jī)織布時(shí)要對(duì)經(jīng)紗的張力進(jìn)行有效控制，控制織機(jī)的送經(jīng)量，從而織出疏密均勻的布。如果織布時(shí)經(jīng)紗張力控制不均勻，則織出的布將疏密不均，光潔度差，并且容易造成斷經(jīng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。由于織布過(guò)程中送經(jīng)布軸的軸徑不斷變小，以及其他噪聲及干擾因素，所以該系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變的非線性的系統(tǒng)，很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，控制起來(lái)比較復(fù)雜。
    所以，織機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定性以及響應(yīng)的快速性等，直接影響到織出布的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    2.1 技術(shù)方案
    系統(tǒng)采用高速的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作主控制器。采用的核心算法為智能模糊PID算法。控制電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，保證了控制的準(zhǔn)確性和快速性。在一個(gè)織布周期里的多個(gè)不同時(shí)刻實(shí)時(shí)地檢測(cè)經(jīng)紗的張力，實(shí)時(shí)地控制交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，保證了各個(gè)織布周期張力的一致性。現(xiàn)就所采用方案說(shuō)明如下:
    DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是適合于這種應(yīng)用場(chǎng)合的首選器件，由于它采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)和流水線結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置了專用硬件乘法器以及專用的DSP命令，所以使DSP實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)算功能— 在1個(gè)周期內(nèi)就能完成乘法運(yùn)算，這比通用微處理機(jī)快10一100倍。DSP是一種高速專用微處理器(MCU)，其運(yùn)算功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)高速輸人和高速率傳輸數(shù)據(jù)，它專門(mén)處理以運(yùn)算為主不允許遲延的實(shí)時(shí)信號(hào)，高效進(jìn)行快速傅立葉變換運(yùn)算。它包含有靈活可變的1/0接口和片內(nèi)1/0管理，高速并行數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)化指令集。
    DSP的精度高、可靠性好，為電機(jī)控制提供高效可靠的平臺(tái)。
    目前，國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用最為廣泛的DSP器件是美國(guó)德州儀器 (TI)公司生產(chǎn)的TMS320系列。TMS320 LF2407 A控制器是為了滿足控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。通過(guò)把一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核和微處理器的片內(nèi)外圍設(shè)備集成為一個(gè)芯片的方案，非常適合于工業(yè)控制領(lǐng)域。它的指令周期為40ns，有高達(dá)32K字的FLASH程序存貯器，高達(dá) 1. 5K字的數(shù)據(jù)/程序 RAM, 544字雙口RAM, 2K字的單口RAM，兩個(gè)適合于電機(jī)控制的事件管理器模塊集成有10位A/D轉(zhuǎn)換器。所以控制系統(tǒng)選用 TMS320LF240FA作為系統(tǒng)主控制器。
    傳統(tǒng)PID控制算法在設(shè)計(jì) PID控制器時(shí)，是依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定PID控制器的參數(shù)Kp, K1, KD。在以后的使用過(guò)程中，或者保持參數(shù)不變，或者在外部條件發(fā)生重大變化時(shí)，重新手動(dòng)選擇參數(shù)。由前面分析可知，織機(jī)送經(jīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變和分布參數(shù)系統(tǒng)，這就要求 PID參數(shù)能夠在線調(diào)整，以適應(yīng)改變了的模型。
    而常規(guī) PID控制不能滿足這一要求，因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是 PID參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。在選擇控制器算法時(shí)，轉(zhuǎn)向定量和定性相結(jié)合的方法— 模糊控制。模糊控制實(shí)際上是一種非線型控制，屬于智能控制的范疇。結(jié)合模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)，在PID控制的基礎(chǔ)上采用模糊控制，將模糊控制和PID控制兩者結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮模糊控制靈活性、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和PID控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。
    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定出PID參數(shù)的調(diào)整規(guī)則，在線進(jìn)行模糊推理，分別調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)，解決了控制系統(tǒng)中PID參數(shù)實(shí)時(shí)整定的問(wèn)題。控制過(guò)程中在線整定PID的3個(gè)參數(shù)，集中了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)有很好的動(dòng)態(tài)，穩(wěn)態(tài)性能和適應(yīng)性，而且抗干擾能力強(qiáng)，有很好的魯棒性。控制中采用位置控制和小偏差微量調(diào)整控制方法。控制方式為先由初始狀態(tài) 自動(dòng)算出一個(gè)控制量。控制過(guò)程中，根據(jù)張力偏差通過(guò)智能模糊PID算法計(jì)算得出一個(gè)調(diào)整補(bǔ)償量，然后由這兩個(gè)量的代數(shù)和去控制交流伺服系統(tǒng)，所以控制精準(zhǔn)、平穩(wěn)，不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。

     2.2 控制系統(tǒng)原理
    系統(tǒng)控制原理框圖如圖1。電子送經(jīng)系統(tǒng)工作原理為:在一個(gè)織布周期里多個(gè)不同時(shí)刻通過(guò)張力傳感器實(shí)時(shí)地檢測(cè)經(jīng)紗的張力。與設(shè)定值進(jìn)行比較，再由主控制器DSP根據(jù)偏差通過(guò)智能模糊PID算法計(jì)算得出一控制量，實(shí)時(shí)地控制交流伺服系統(tǒng)。

3 硬件構(gòu)成
控制系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2。圖中，系統(tǒng)主控制器為T(mén)MS320LF2407A，實(shí)時(shí)完成對(duì)各種輸人輸出數(shù)據(jù)的處理，以及模糊PID算法的運(yùn)算。

    光電碼盤(pán)用來(lái)在程序執(zhí)行過(guò)程中特定位置產(chǎn)生中斷以采樣張力信號(hào)。它的端口A,B,Z經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片 74LVTH245A 轉(zhuǎn)換后，分別與TMS320LF2407A的 QEPI, QEP2, CAPS相連。74LVTH245A完成碼盤(pán)5V電平到3.3V的轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A的事件管理模塊的計(jì)數(shù)器對(duì)碼盤(pán)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖數(shù)與設(shè)定值相同時(shí)，產(chǎn)生中斷進(jìn)行對(duì)張力采樣。
   系統(tǒng)由安裝在織機(jī)上的張力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得經(jīng)紗的張力。張力傳感器把張力轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)模擬處理電路處理得到 DSP 芯片的A/D模塊可處理的與張力傳感器輸出電壓成比例的電壓信號(hào)。張力傳感器經(jīng)模擬處理電路處理過(guò)的電壓，由DSP芯片的 A/D模塊的 ADCIN00通道接受。經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，與設(shè)定值比較后，經(jīng)由智能模糊 PID算法處理。外部數(shù)據(jù) RAM主要用來(lái)進(jìn)行外部仿真調(diào) 試，掉電保護(hù) RAM主要用來(lái)存放掉電時(shí)系統(tǒng)一些重要參數(shù)。
    液晶模塊采用間接控制方式與 TMS32OLF2407A相連，用 TMS320LF2407A的 I/0 端口控制，用軟件模擬操作時(shí)序。鍵盤(pán)設(shè)定分別由TMS32OLF2407A的v0端口控制，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液晶和鍵盤(pán)相結(jié)合來(lái)完成經(jīng)紗張力和故障顯示、故障診斷、張力設(shè)定，自動(dòng)、手動(dòng)控制等功能。
     系統(tǒng)所采用電機(jī)為交流伺服電機(jī)，采用位置控制模式，由TMS320LF2407A的PWM端口I/O端口分別控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器的 PULSE和SIGN，即由PWM發(fā)出相應(yīng)頻率和數(shù)量的脈沖控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)的位置，I/O端口控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
    系統(tǒng)中，JTAG接口電路主要完成外部仿真調(diào)試和程序下載到芯片的FLASH中。

4 軟件構(gòu)成
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案如圖3.

        .系統(tǒng)管理程序:負(fù)責(zé)對(duì)所有子程序模塊的管理。
        .人機(jī)界面交互接口程序:負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整，以及故意診斷的顯示和查詢。
        .開(kāi)停機(jī)處理程序:負(fù)責(zé)開(kāi)停機(jī)時(shí)對(duì)一些參數(shù)的處理和優(yōu)化補(bǔ)償。
        .模糊算法:負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)PID參數(shù)的在線模糊整定。
         PID算法:負(fù)責(zé)用 PID算法計(jì)算出輸出量控制電機(jī)。
        .故障診斷給保護(hù)程序:負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)故障的診斷和保護(hù)。
        .掉電數(shù)據(jù)保護(hù)程序:負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)掉電時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)以及再次操作時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的恢復(fù)。
    總程序框圖如圖4，碼盤(pán)中斷程序框圖如圖 5.

5 結(jié)束語(yǔ)
運(yùn)用該控制方案設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、響應(yīng)快，并具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，各個(gè)織布周期張力的一致性好，且送經(jīng)量精確，控制平穩(wěn)，能滿足高檔織機(jī)的送經(jīng)要求，具有較高性價(jià)比。中國(guó)是紡織行業(yè)大國(guó)，織機(jī)電子送經(jīng)控制系統(tǒng)具有巨大市場(chǎng)，并且通過(guò)研制具有自己產(chǎn)權(quán)的高檔次電子送經(jīng)控制系統(tǒng)提高了我國(guó)織機(jī)的檔次，對(duì)于人關(guān)后我國(guó)織機(jī)占領(lǐng)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)具有重大意義。

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